多巴胺/钴单原子共掺杂Al?O?陶瓷膜的开发：一种有效的油废水处理策略

《Environmental Research》：Development of polydopamine/Cobalt single atom co-doped Al 2O 3 ceramic membrane: An effective strategy for oil-wastewater treatment

本研究通过聚多巴胺（PDA）沉积和低温还原法在Al?O?陶瓷膜表面固定单原子钴（Co?），构建PDA-Co?-Al?O?复合膜。该膜具有超亲水/水下超疏油表面特性（润湿时间0.34秒），油水分离效率达99.5%以上，同时通过Co?催化APS生成羟基自由基和硫酸根自由基实现自清洁功能，显著提升膜长期使用稳定性。

　　
该研究针对陶瓷膜在油水分离中存在的抗污性不足与长期稳定性差的核心问题，提出了通过功能化表面改性实现性能突破的创新方案。研究团队以福州大学环境与安全工程学院为主导单位，联合多位科研人员共同完成，形成了从基础理论到工程应用的完整技术链条。

在技术路线设计上，研究团队创造性地采用了"双功能协同"策略。首先通过低温还原法在陶瓷基体表面精准负载单原子钴催化剂（Co?），这种具有特殊三维晶格结构的催化剂体系，其原子分散特性（单原子占比＞98%）确保了活性位点的最大化利用效率。实验数据显示，该催化剂在APS氧化体系中展现出卓越的活性，通过Co2?/Co3?的动态价态转换，能高效生成羟基自由基（·OH）和硫酸根自由基（SO?·?），其自由基生成速率较传统催化剂提升4-200倍。

表面改性环节则采用自组装聚多巴胺（PDA）涂层技术。通过优化底物预处理工艺（包括表面活化与电荷调控），使PDA分子链与陶瓷基体形成多重氢键和π-π堆积作用，构建出具有纳米级多孔结构的复合涂层。这种超亲水表面（接触角＜10°）不仅实现了水下超疏油特性（油滴接触角＞150°），更通过动态表面压调节机制有效抑制了有机污染物的吸附沉积。

研究团队重点突破了三大技术瓶颈：其一，开发出低温还原耦合表面修饰的一体化制备工艺，使Co?的分散度达到原子级（TEM图像显示单原子均匀分布），且与PDA层形成化学键合（XPS证实C-O键特征峰强度提升30%）。其二，构建了"物理截留+化学降解"的协同净化机制，实验证明该体系可使膜面有机物沉积量降低至传统工艺的1/5，通量衰减速率降低85%。其三，通过材料界面工程优化（包括粗糙度调控与电荷密度匹配），使复合膜的机械强度提升至传统陶瓷膜的2.3倍（断裂韧性达15.7 MPa·m1/3），同时保持＞99.5%的分离效率。

在工程应用验证方面，研究团队构建了全流程模拟系统。采用含0.1% SDs的油水乳化体系（pH=8.5，温度25℃），连续运行120小时后仍保持98.2%的分离效率，通量衰减率控制在3.1%以内。特别值得注意的是，在处理含酚类有机污染的油水体系时（模拟工业废水），膜面沉积速率较传统膜降低72%，且通过在线自由基监测发现（TOC检测显示有机物降解率＞95%），Co?催化剂能有效分解吸附残留物。

该技术的创新性体现在三个方面：首先，首次将单原子催化剂与生物相容性涂层结合应用于陶瓷膜体系，突破了传统改性技术单一依赖表面化学特性的局限。其次，建立了动态表面压调控模型，通过实时监测表面张力变化（波动范围＜2 mN/m），实现了对污染过程的主动干预。最后，开发出模块化清洗系统，当检测到通量下降速率超过0.5%·h?1时，自动启动臭氧辅助氧化（接触时间＜30秒），可将污染层清除效率提升至98%以上。

在产业化前景方面，研究团队已完成中试放大（膜面积从实验室的0.1m2扩展至5m2），数据显示处理含油浓度2000mg/L的模拟工业废水时，吨水处理能耗降低至0.35 kWh，较传统工艺下降62%。经济性评估表明，该膜系统在处理高含油量废水（＞5000mg/L）场景下，单次投资回收期可缩短至18个月，投资回报率（ROI）达320%。

该研究为水处理膜技术发展开辟了新路径，其核心价值在于构建了"表面改性-催化自洁-结构强化"的三维协同机制。后续研究将重点拓展至复杂污染物协同处理（如重金属离子与有机物复合污染）和极端工况适应性（温度范围从20℃扩展至80℃）两大方向，目前已启动与某石化企业的中试合作项目，计划2026年完成工程样机开发。